Fizyk uwięził światło. Jego wynalazek może odmienić nasz świat!

Czy światło da się uwięzić w konkretnej przestrzeni fizycznej i kontrolować? Niejeden naukowiec zastanawiał się nad taką możliwością, a jednak, dopiero teraz odkryto co jest nam potrzebne do osiągnięcia tego celu.

Profesor z Uniwersytetu w Toronto - Sajeev John, odkrył mechanizmy umożliwiające zamknięcie i kontrolowanie światła. Dzięki swojemu przełomowemu odkryciu, które otwiera cały wachlarz nowych możliwości rozwoju w licznych branżach obecnej technologii, Sajeev John został mianowany tegorocznym laureatem Złotego Medalu im. Gerharda Herzberga, najwyższego wyróżnienia przyznawanego przez kanadyjską Radę Nauk Przyrodniczych i Inżynieryjnych (NSERC). Nagroda ta jest nie tylko bardzo prestiżowa, ale ponadto zapewnia finansowanie badań do kwoty 1 miliona dolarów w ciągu pięciu lat. W oświadczeniu NSERC widnieje:

"Dzięki jego odkryciom możliwe będzie przetwarzanie informacji optycznie, a nie elektronicznie – jak dotąd, co uczyni technologię superkomputerów bardziej stabilną i skalowalną, w porównaniu do komputerów kwantowych"

Zupełnie nowe materiały

Badania profesora Sajeev John’a dostarczają rozwiązania problemu polegającego na tym, że fotony nie mają tendencji do przepływu ograniczonymi ścieżkami, jak elektrony, ale rozpraszają się lub są absorbowane.

Badania profesora Johna pozwalają opracować zupełnie nowe materiały, dzięki którym będzie można nie tylko więzić fotony w konkretnym obszarze fizycznym, ale także ograniczać ich ruch do wyznaczonych mikroskopowych ścieżek, analogicznie do sposobu, w jaki ruch elektronów jest kontrolowany w skali nanometrycznej w półprzewodnikach.

Nowe materiały, których opracowanie, praktyczne wdrożenie, a także dalszy rozwój, umożliwiają odkrycia dokonane przez Dr. Sajeev John’a, mogłyby być wykorzystywane w nieinwazyjnych operacjach laserowych oraz w produkcji innowacyjnych ogniw słonecznych. Celem fizyka z Toronto jest stworzenie cienkich, lekkich, elastycznych, wysokowydajnych ogniw słonecznych poprzez wykorzystanie kryształów fotonicznych do wychwytywania światła. 

Naukowiec przewiduje zastosowanie nowych materiałów w budynkach, pojazdach, a nawet - ze względu na ich wyjątkowo niską wagę - w ubraniach, które na co dzień nosimy.

Materiały z fotoniczną przerwą w paśmie umożliwiają prowadzenie światła przez kabel z pustym rdzeniem! Dzięki tej technologii, skupione wiązki światła mogłyby być stosowane w operacjach na pacjentach, dla których tradycyjne zabiegi laserowe stanowią zbyt duże ryzyko.

Jak doszło do tak osobliwego odkrycia? 

Otóż, początkowo Sajeev John starał się dowiedzieć, czy możliwe jest uwięzienie fal dźwiękowych. Wkrótce jednak naukowiec zdał sobie sprawę, iż uczynienie tego samego ze światłem byłoby prawdziwym przełomem, ponieważ – jak wszyscy dobrze wiemy – jest ono wszędzie! Dr. Sajeev postanowił zatem skupić się na tym zagadnieniu i sprawdzić, czy światło dałoby się uwięzić i kontrolować. 

Po opracowaniu wstępnego projektu, kolejnym krokiem było znalezienie i zgrupowanie ekspertów z dziedziny materiałoznawstwa i fizyki półprzewodników, aby faktycznie zrealizować wstępne, teoretyczne założenia.

Mając na celu przetestowanie i sprawdzenie wydajności swoich projektów, naukowiec podjął ścisłą współpracę z innymi ekspertami z całego świata, w efekcie czego, badaczom w końcu udało się opracować materiały z fotoniczną przerwą pasmową.

Jak oznajmił Sajeev John, profesor stara się obecnie wykorzystać swoje odkrycie w zapobieganiu niszczącym nasz ekosystem zmianom klimatycznym:

"Obszar, którym jestem teraz najbardziej podekscytowany, to wykorzystanie koncepcji przechwytywania światła do łapania światła słonecznego"

Możliwe zastosowania

Zdolność do precyzyjnego sterowania fotonami otwiera drzwi do rewolucyjnych zastosowań w wielu dziedzinach. W medycynie oznacza to możliwość przeprowadzania wysoce precyzyjnych, nieinwazyjnych operacji laserowych, bez ryzyka uszkodzenia tkanek otaczających. 

W energetyce, nowe typy cienkowarstwowych ogniw słonecznych opartych na fotonicznych kryształach pozwolą wychwytywać większy zakres światła słonecznego, nawet pod różnymi kątami i przy słabym nasłonecznieniu. 

W elektronice i informatyce, układy optyczne mogą zastąpić tradycyjne układy krzemowe, umożliwiając budowę procesorów światłoczułych, które są szybsze, bardziej energooszczędne i mniej podatne na przegrzewanie. Tego typu rozwiązania mogą trafić nie tylko do centrów danych, ale także do komputerów osobistych, samochodów autonomicznych, a w przyszłości nawet do urządzeń noszonych – od inteligentnych zegarków po ubrania zasilane światłem dziennym.

Nowe technologie już dziś!

Choć przez lata koncepcja uwięzienia światła w fotonicznych kryształach wydawała się jedynie teoretycznym eksperymentem, dziś staje się fundamentem nowych technologii rozwijanych w różnych częściach świata. W laboratoriach niemieckich i japońskich uczelni inżynierowie pracują już nad optycznymi układami scalonymi, które zamiast prądu wykorzystują światło do przesyłania i przetwarzania informacji. 

W Stanach Zjednoczonych powstał start-up Lightmatter, który rozwija procesory światłoczułe przeznaczone dla przyszłych superkomputerów, natomiast w Holandii firma Effect Photonics projektuje miniaturowe układy fotoniczne do zastosowań w telekomunikacji. 

Jeszcze kilka lat temu była to futurystyczna wizja – dziś coraz bardziej realna alternatywa dla konwencjonalnej elektroniki, która może odmienić sposób, w jaki działają nasze komputery, sieci internetowe, a nawet sprzęt medyczny.

Źródła

• Quantum information processing in localized modes of light within a photonic band-gap material
  Nipun Vats, Terry Rudolph, Sajeev John (1999)
  DOI: 10.1103/PhysRevA.62.012304
• Topological light-trapping on a dislocation
  Fei-Fei Li, Hai-Xiao Wang, Zhan Xiong, Qun Lou, Ping Chen, Rui-Xin Wu, Yin Poo, Jian-Hua Jiang, Sajeev John (2018)
  DOI: 10.1038/s41467-018-03101-3
• Photonic crystal
  Wikipedia (artykuł informacyjny)
  URL: en.wikipedia.org/wiki/Photonic_crystal
• Sajeev John
  Wikipedia (biografia)
  URL: en.wikipedia.org/wiki/Sajeev_John
• Gerhard Herzberg Canada Gold Medal for Science and Engineering
  Wikipedia (informacja o nagrodzie)
  en.wikipedia.org/wiki/Gerhard_Herzberg_Canada_Gold_Medal_for_Science_and_Engineering